В квантовом мире даже время не течет, как вы могли бы ожидать

Художественная иллюстрация гондольера, попавшего в квантовую суперпозицию потоков времени. Предоставлено: © Aloop Visual & Science, Венский университет, Институт квантовой оптики и квантовой информации Австрийской академии наук.

Исследование, опубликованное в последнем номере журнала Физика связи, требует переосмысления того, как поток времени понимается и представляется в контекстах, где квантовые законы играют решающую роль.

На протяжении веков философы и физики размышляли о существовании времени. Тем не менее, в классическом мире наш опыт, кажется, развеивает любые сомнения в том, что время существует и продолжается. Действительно, в природе процессы имеют тенденцию спонтанно развиваться от состояний с меньшим беспорядком к состояниям с большим беспорядком, и эту склонность можно использовать для определения стрелы времени. В физике это описывается в терминах «энтропии», которая представляет собой физическую величину, определяющую степень беспорядка в системе.

Доктор Джулия Рубино из Лаборатории квантовой инженерии Бристольского университета и ведущий автор публикации сказала:

«Если явление производит большое количество энтропии, наблюдение его обращения времени настолько маловероятно, что становится практически невозможным. Однако, когда произведенная энтропия достаточно мала, существует немалая вероятность увидеть, что обращение времени явления происходит естественным образом.

«В качестве примера мы можем взять последовательность вещей, которые мы делаем в утреннем распорядке. Если бы нам показали, как наша зубная паста перемещается из зубной щетки обратно в тюбик, мы не сомневаемся, что это была перемотанная запись нашего дня. Однако, если бы мы осторожно сжали тюбик так, чтобы вышла только небольшая часть зубной пасты, было бы не так уж маловероятно наблюдать, как она снова попадает в тюбик, всасываемый декомпрессией тюбика ».

Авторы исследования под руководством профессора Каслава Брукнера из Венского университета и IQOQI-Vienna применили эту идею к квантовой сфере, одной из особенностей которой является принцип квантовой суперпозиции, согласно которому если два состояния возможны обе квантовой системы, тогда эта система также может находиться в обоих состояниях одновременно.

«Распространяя этот принцип на стрелки времени, он приводит к тому, что квантовые системы, развивающиеся в том или ином временном направлении (зубная паста, выходящая из тюбика или возвращающаяся обратно в трубку), также могут эволюционировать одновременно в обоих временных направлениях.

«Хотя эта идея кажется довольно бессмысленной в применении к нашему повседневному опыту, на самом фундаментальном уровне законы Вселенной основаны на квантово-механических принципах. Возникает вопрос, почему мы никогда не сталкиваемся с этими суперпозициями потоков времени в природе », — сказал д-р Рубино.

Доктор Гонсало Манзано, соавтор из Университета Балеарских островов, сказал: «В нашей работе мы количественно оценили энтропию, производимую системой, развивающейся в квантовой суперпозиции процессов с противоположными стрелками времени. Мы обнаружили, что это чаще всего приводит к проецированию системы на четко определенное направление времени, соответствующее наиболее вероятному из двух процессов. И все же, когда задействовано небольшое количество энтропии (например, когда разлито так мало зубной пасты, что можно было увидеть, как она реабсорбируется в тюбик), тогда можно физически наблюдать последствия эволюции системы в прямом и обратном направлениях. временные направления в одно и то же время ».

Помимо фундаментальной особенности, заключающейся в том, что само время не может быть четко определено, эта работа также имеет практическое значение в квантовой термодинамике. Помещение квантовой системы в суперпозицию стрелок альтернативного времени может дать преимущества в работе тепловых машин и холодильников.

Доктор Рубино сказал: «Хотя время часто рассматривается как непрерывно увеличивающийся параметр, наше исследование показывает, что законы, управляющие его течением в квантово-механических контекстах, намного сложнее. Это может означать, что нам необходимо переосмыслить способ представления этой величины во всех тех контекстах, где квантовые законы играют решающую роль ».